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汽車非金屬材料如何助陣中國汽車產(chǎn)業(yè)變革？
 
  近年來，我國汽車產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，作為全球最大的汽車消費市場，2016年汽車產(chǎn)銷突破2800萬輛，連續(xù)8年位居全球第一。隨著汽車產(chǎn)銷量的增長，以及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，中國汽車產(chǎn)業(yè)站在了轉(zhuǎn)型升級的關(guān)口。按照“中國制造2025”以及《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》的要求，既要加大力度推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，也要做好傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的節(jié)能減排工作，并將電子信息技術(shù)廣泛應(yīng)用在汽車上，以信息化手段促進(jìn)汽車工業(yè)發(fā)展。另外備受矚目的《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》(以下簡稱“雙積分”)政策已經(jīng)于今年9月底正式公布，該政策將于2018年4 月 1 日正式實行。在雙積分政策背景下，中外車企大力發(fā)展節(jié)能與新能源汽車已經(jīng)是大勢所趨，而汽車非金屬材料在這一過程中扮演著十分重要的角色。
為促進(jìn)我國汽車非金屬材料及制品技術(shù)水平的提高，中國汽車工程學(xué)會汽車非金屬材料分會于11月28日-30日在哈爾濱舉辦了以“輕量化、功能化、環(huán)�；睘橹黝}的年會，以促進(jìn)行業(yè)經(jīng)驗分享、開闊科技人員技術(shù)視野、增強自主創(chuàng)新意識和技術(shù)積累。
“以塑代鋼”的輕量化之路
中國制造2025明確提出，到2020年，乘用車(含新能源乘用車)新車整體油耗降至5升/100公里，2025年，降至4升/100公里左右。到2020年，商用車新車油耗接近國際先進(jìn)水平，到2025年，達(dá)到國際先進(jìn)水平。而據(jù)國際研究機構(gòu)實驗表明，如果汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%至8%;汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3至0.6升。因此，在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗成為各車企的發(fā)展潮流。
在汽車非金屬材料分會第七屆年會上，中國一汽新能源開發(fā)院材料與輕量化所處長鄭虹指出：“目前中國汽車行業(yè)成為全球汽車產(chǎn)業(yè)中的重要力量，汽車強國的夢想正在逐漸變成現(xiàn)實，為了推進(jìn)汽車行業(yè)的綠色發(fā)展，國家出臺了一些列汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，尤其是雙積分政策，必然改變各大汽車企業(yè)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而非金屬材料的開發(fā)和應(yīng)用，具有極大的輕量化優(yōu)勢，既能緩解汽車企業(yè)在這兩方面的壓力，又能給非金屬行業(yè)提供更多的機遇，必將促使行業(yè)創(chuàng)新技術(shù)，開創(chuàng)汽車產(chǎn)業(yè)快速轉(zhuǎn)型升級、推動自主品牌全面振興�！�
近年來汽車輕量化成為降低汽車排放、提高燃燒效率的有效措施，也是汽車材料發(fā)展的主要方向，汽車非金屬材料的用量也隨之上升，其中塑料和彈性體在車身輕量化方面具有舉足輕重的作用。
在車用塑料市場方面，無論是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，塑料用量都在不斷地增加。并且隨著工程塑料硬度、強度、拉伸性能的不斷提高，塑料車窗、車門、骨架甚至更多的汽車關(guān)鍵性部件都在采用塑料，因此以塑代鋼是汽車輕量化重要的發(fā)展趨勢之一。
按地域劃分，車用塑料制品在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用主要分布在美國、西歐、日本和中國;按塑料制品類型劃分，在汽車上應(yīng)用最多的是工程塑料和通用塑料，其中聚丙烯(PP)制品在各大地域的應(yīng)用是最廣泛的;聚氨酯(PU)作為發(fā)泡材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用也十分廣泛，根據(jù)IHS Markit 數(shù)據(jù)顯示，聚氨酯在各個國家汽車材料中占兩成左右，汽車內(nèi)飾上聚氨酯用量非常之大。IHS Markit化工部副總監(jiān)徐徐認(rèn)為：“聚氨酯泡沫消費量按地區(qū)分布的話，中國無疑是最大的市場，個人認(rèn)為，聚氨酯材料是汽車用非金屬材料中受市場波動影響最小的，預(yù)測未來幾年內(nèi)，聚氨酯材料在汽車用量當(dāng)中還會正增長�！�
彈性體在汽車領(lǐng)域可以分為兩大類：一類是輪胎應(yīng)用還有一類是非輪胎的應(yīng)用。汽車輪胎市場是橡膠最大的終端市場，基本上有70%的橡膠用于了輪胎市場。中國在天然橡膠和合成橡膠市場都占據(jù)最大比例，因此，中國是全球最大的橡膠市場，這也是受我國最近幾年汽車產(chǎn)業(yè)和輪胎產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的影響。我國的天然橡膠與合成橡膠的消費量巨大，但是自給能力呈現(xiàn)截然相反的狀態(tài)。
在非輪胎應(yīng)用領(lǐng)域，三元乙丙橡膠(EPDM)和熱塑性聚烯烴彈性體(TPO)有著廣闊地應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，2001年至2015年，全球乙丙橡膠產(chǎn)量和汽車產(chǎn)量走勢基本平行，某種程度上，EPDM的生產(chǎn)狀態(tài)也可以反映整個汽車市場的狀態(tài)。但是我國的EPDM產(chǎn)能相對較低，依賴于進(jìn)口。
隨著“以塑代鋼”輕量化思路的深度應(yīng)用，介于橡膠和塑料之間的熱塑性彈性體(TPE)的研發(fā)與應(yīng)用也越來越成熟、越來越廣泛。2016年全球熱塑性彈性體消費量， 已經(jīng)達(dá)到了600萬噸，TPE的發(fā)展與汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很大關(guān)系，因為TPE的總消費量分布中，有43-44%是用于汽車行業(yè)。其中廣泛應(yīng)用于密封條和導(dǎo)槽的TPV 產(chǎn)品在未來市場具有挖掘的潛力。
總而言之，汽車輕量化是全球汽車市場發(fā)展的必由之路，據(jù)高盛集團預(yù)測，到2025年，整車制造企業(yè)(OEMs)生產(chǎn)的每輛車將減重約200公斤以滿足相應(yīng)需求。在眾多的輕質(zhì)化材料中，橡塑材料作為非金屬材料，在汽車輕量化中將起到越來越重要的作用。
安全環(huán)保與輕量化不可偏廢其一
2014年，全球交通運輸業(yè)的碳排放量占到了29%，是僅次于重工業(yè)的能源企業(yè)，說明汽車工業(yè)在碳排放比例中占到了相當(dāng)大的比例，而汽車非金屬材料作為輕量化的有效手段被越來越普遍地應(yīng)用。與此同時，汽車非金屬材料的蓬勃發(fā)展，也要重視一些問題。
隨著消費者對車內(nèi)氣味VOC的要求不斷提高，車內(nèi)空氣質(zhì)量強標(biāo)的推進(jìn)，內(nèi)飾件VOC管控成為各主機廠、內(nèi)飾件產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。
在汽車VOC這一塊，隨著國家強標(biāo)的修訂工作的持續(xù)進(jìn)行，以及車內(nèi)空氣質(zhì)量首次納入了國六的管理，對于整車企業(yè)來說，控制整車企業(yè)的VOC符合法律標(biāo)準(zhǔn)的壓力越來越急迫。車內(nèi)氣味是各大主機廠最為關(guān)心的一塊領(lǐng)域，無論是第三方研究機構(gòu)發(fā)布的研究報告還是消費者的投訴情況來看，車內(nèi)氣味作為消費者對于車型主觀化的一個評價，對于車企來說，如何改善車內(nèi)空氣質(zhì)量也是非常重要的。
中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)資源中心王雷認(rèn)為：“在汽車研發(fā)階段是不會出現(xiàn)問題的，它出現(xiàn)問題是在量產(chǎn)過程中某一批次的產(chǎn)品，因為工料的問題造車了車內(nèi)氣味讓消費者不舒服�！�
汽車零部件和車內(nèi)裝飾材料中所含有害物質(zhì)的釋放，包括汽車使用的塑料和橡膠部件、織物、油漆涂料、保溫材料、粘合劑等有可能會造成VOC的超標(biāo)。這些材料中的揮發(fā)性物質(zhì)可以在汽車使用過程中不斷釋放，持續(xù)幾個月甚至幾年。有研究表明，按照新國標(biāo)要求的限值，整車VOC超標(biāo)主要集中表現(xiàn)為乙苯、二甲苯超標(biāo)，其中密封條、天窗、門鎖、座椅、頂襯、工藝膠對整車VOC含量有很大“貢獻(xiàn)”，因此這些部件也是整車VOC控制的重點零部件。
王雷介紹：“對于企業(yè)來說要做到整車VOC的一個管控，不管是VOC還是氣味我們會把目標(biāo)分解到主要的二三十種內(nèi)飾的零件，再逐級分解到初始的原材料，就是我們的車內(nèi)非金屬材料，對于大多數(shù)整車企業(yè)來說，管控體系已經(jīng)基本建立完備了，采取逐級篩選，縱向管控的方式，整車企業(yè)達(dá)到VOC國家標(biāo)準(zhǔn)的壓力并不是很大，企業(yè)的重心放在怎么在國家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步的提升整車的VOC性能�！�
另一方面，在整車VOC的控制中，對原材料的優(yōu)化是根本措施，但同時除原材料本身的配方對VOC的影響較大外，零件的成型工藝和后處理工藝也會影響零部件的揮發(fā)物含量，因此VOC的控制從原材料的合成、改性、加工、零件的制作、裝配、存儲、運輸，零件在整車上的裝配，設(shè)計制造全環(huán)節(jié)都會影響到整車的VOC。VOC的整改需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的變革和管控力度的加強來支持。
除此之外，建立統(tǒng)一的材料檢測標(biāo)準(zhǔn)以及明確的評價指標(biāo)也不可缺少。
生物材料與3D打印技術(shù)前景廣闊
在汽車環(huán)保與輕量化的目標(biāo)之下，對于新材料和新工藝的開發(fā)越來越得到企業(yè)的重視。而生物材料和3D打印技術(shù)的進(jìn)步給汽車產(chǎn)業(yè)帶來更光明的前景。
在生物材料方面，采用聚乳酸PLA+PC、大豆發(fā)泡聚氨酯等生物材料，是公認(rèn)的環(huán)保型友好材料，這樣可以盡量降低二氧化碳的排放，降低汽車車內(nèi)的空氣污染。創(chuàng)辦于1985年的鑫達(dá)集團，已經(jīng)成功將生物基材料應(yīng)用于輕量化，鑫達(dá)集團董事總經(jīng)理代汝軍介紹說：“生物基材料將玉米、甘蔗等作為淀粉的來源合成聚乳酸，作為可降解的材料分解成水和二氧化碳。另外植物纖維的應(yīng)用也可以降本減重，比如稻殼兒、秸稈都可以磨成粉添加到材料中，不僅達(dá)到輕量化的要求，還可以降低成本。”
鑫達(dá)除研發(fā)生物材料外，還聚焦3D打印技術(shù)的開發(fā)。3D打印技術(shù)源于上世紀(jì)七十年代的美國，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘和材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的新型成型技術(shù)。3D打印技術(shù)相較于傳統(tǒng)技術(shù)，具有多樣化、節(jié)省材料、制造技能簡單等特點，是具有顛覆性的技術(shù)。
全球3D打印市場在2013年的市值是23億美元，有望在2020年達(dá)到86億美元，其復(fù)合年均增長率(CAGR)為20.6%，同時，醫(yī)療、航空、汽車、教育等領(lǐng)域?qū)⒊蔀?D打印市場的最大增長點。據(jù)了解，到2022年全球醫(yī)療3D打印市場規(guī)模將達(dá)到38.9億美元(約合人民幣260億人民幣)。市場研究公司Allied Market Research通過一份報告給出了預(yù)測，未來5年，汽車3D打印市場將以21.8%的復(fù)合年均增長率快速發(fā)展，最終到2022年全球規(guī)模達(dá)23.9億美元。
代汝軍談到3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用時說道：“一輛車從規(guī)劃設(shè)計、定型生產(chǎn)、中期改款到最終下線，過程中需要經(jīng)歷多次修改、驗證，在此期間需要進(jìn)行制造許多樣件，傳統(tǒng)方法采用快速成型技術(shù)，耗時高、成本高，而利用3D打印技術(shù)可有效降低成本，縮短研發(fā)周期。”
在整車設(shè)計環(huán)節(jié)，與3D打印技術(shù)結(jié)合的案例有東風(fēng)公司采用3D打印技術(shù)打印整套汽車內(nèi)飾，裝配在樣車上供專業(yè)人員對外觀進(jìn)行評審，也開放到車展上供觀眾參觀并收集觀眾意見，以用于后期的設(shè)計優(yōu)化參考。吉利汽車采用3D打印技術(shù)制作了空調(diào)HVAC總成和風(fēng)道總成，綜合測試空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量大小、風(fēng)量非配的合理性、除霜風(fēng)口出風(fēng)方向風(fēng)速的準(zhǔn)確性。3D打印技術(shù)除了在設(shè)計階段、樣件的制造外，可以直接生產(chǎn)車用的外飾件、內(nèi)飾件、功能件等，比如標(biāo)致Fractal概念車在車內(nèi)飾上使用了大量的3D打印的零部件……
作為專業(yè)從事高分子復(fù)合材料研發(fā)生產(chǎn)銷售的企業(yè)，鑫達(dá)的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃是打造中國汽車用高分子復(fù)合材料產(chǎn)銷第一;另外在創(chuàng)新生物可降解材料方面打造從丙交酯、聚乳酸到復(fù)合乳酸產(chǎn)業(yè)鏈最全，中國行業(yè)內(nèi)產(chǎn)銷第一;而且要達(dá)到創(chuàng)新高分子材料3D打印耗材品種最全，國內(nèi)行業(yè)產(chǎn)銷量第一。
 
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